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Verfahren zur Kompensierung der Temperaturabhängigkeit des Ganges
einer mit Transistorschaltung kontaktlos betriebenen Uhr und zur Durchführung des
Verfahrens geeignete Uhr Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensierung
der Temperaturabhängigkeit einer mit Transistorschaltung kontaktlos betriebenen
Uhr, wobei die den Eingang speisende Steuerspule, in welcher durch Relativbewe«ung
der Spule und eines vorzugsweise am Gangordner angebrachten Magnetsystems das Steuersignal
erzeugt wird, und die vom Ausgang gespeiste, bei ihrer Relativbewegung zum Magnetsystem
dem Gangordner in der Nähe seiner Ruhelage einen Triebimpuls erteilende Triebspule
dicht benachbart anaeordnet eine Baugruppe mit fester Lage beider Spulen zueinander
bilden.
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Es ist bereits eine über eine Transistorschaltung kontaktlos betriebene
Uhr bekanntgeworden, bei welcher Steuerspule und Triebspule auf einem Spulenträger
übereinandergewickelt sind. Dabei sind die Spulen etwas gegenüber der Symmetrielage
zur Pendelvertikalen verschoben. Bei dieser Uhr ist ein Pendel mit einem mit seiner
Längsachse etwa in Richtung seines Schwingungsbogens liegender Permanentmagnet vorgesehen.
Die Anordnung der Spulen ist mit Rücksicht auf die Ruhelage des Permanentmagneten
so gewählt, daß ein Magnetpol in der Pendelruhelage gerade am Spuleneingang sich
befindet, so daß die bei schwingendem Magneten in der Triebspule auftretenden Triebimpulse
im wesentlichen in der Nullage des Schwingers auftreten.
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Es ist weiterhin eine Uhr mit einem über einen Halbleiterverstärker
kontaktlos angetriebenen Gangordner veröffentlicht worden. In dieser Veröffentlichung
ist ausgeführt, daß eine Verschiebung einer Spule bei festgehaltener zweiter Spule
eine Gangregelung der Uhr ermöglicht. Eine solche Maßnahme hat neben einer Verschiebung
des Antriebsimpulses in bezug auf die Pendel-Nullage auch dessen Verschiebung in
bezug auf das vom Pendelmagnet erzeugte Magnetfeld zur Folge, was den Wirkungsgrad
verschlechtert.
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Schließlich ist auch bereits vorgeschlagen worden, bei einer über
eine elektronische Verstärkerschaltung angetriebenen Uhr Steuer- und Antriebsspule
dicht benachbart auf einen gemeinsamen Tragkörper zu wickeln und den Tragkörper
in der Nähe der Pendelruhelage so anzuordnen, daß die Pendelvertikale durch die
Triebspule unsymmetrisch hindurchgeht. Hierdurch sollen sich für den Pendelantrieb
besonders giinstige Energieverhältnisse ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren
zur Temperaturkompensation der eingangs erwähnten Art zu schaffen. Die Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen-Baugruppe um einen das allgemein übliche
Toleranzmaß der Befestigung überschreitenden Betrag, z. B. um etwa 5 mm, gegenüber
der Symmetrielage zur Pendelvertikalen derart verschoben ist, daß in dem üblichen
Temperaturbereich des Gebrauchszweckes der Uhr eine geringstmögliche Gangschwankung
bei Temperaturschwankungen eintritt.
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Zur Durchführung des Verfahrens können in einer Uhr Steuerspule und
Triebspule auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein, der im Werk gegenüber der
Symmetrielage zur Pendelvertikalen verschoben befestigbar ist. Weiterhin können
Steuerspule und Triebspule auf dem gemeinsamen Träger nebeneinander oder übereinander
liegend dicht benachbart angeordnet sein, und es kann zwischen ihnen eine Entkopplungsvorrichtung,
vorzugsweise eine Entkopplungsspule, vorgesehen sein.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 ein Schaltbild einer Transistorschaltung
für den Antrieb des Gangordners einer Uhr, F i g. 2 eine graphische Darstellung
des Temperatureinflusses auf die in F i g. 1 gezeigte Transistorschaltung, F i g.
3a eine graphische Darstellung der in der Steuerspule induzierten Steuerspannung
als Funktion der Zeit, F i g. 3b eine graphische Darstellung des in der Triebspule
fließenden Kollektorstromes, F i g. 4a und 4b Darstellungen von Steuerspannung und
Kollektorstrom bei gegenüber der Pendel-Nulllage verschobener Steuerspule,
F
i g. 5 eine graphische Darstellung der Kraftlinienflußverteilung in Längsrichtung
des Pendelmagneten, F i g. 6a eine Darstellung eines Spulenträgers mit nebeneinandergewickelten
Spulen, F i g. 6b eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Ganges von der
Lage der in F i g. 6a gezeigten Spulen, F i g. 7a eine Darstellung eines Spulenträgers
mit übereinandergewickelten Spulen und F i g. 7b eine graphische Darstellung der
Abhängigkeit des Ganges in Abhängigkeit von der Lage der in F i g. 7a gezeigten
Spulen.
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In F i g. 1 ist am Ende eines Pendels P ein Stabmagnet N, S
angeordnet. Den beiden Polen N und S des Magneten sind zwei Spulen, eine
Steuerspule (St. Sp.) und eine Arbeitsspule (A. Sp.) zugeordnet, die
im Eingangskreis bzw. Ausgangskreis eines Transistorverstärkers angeordnet sind.
Der Eingangskreis des Transistorverstärkers ist an die Emitterelektrode E und die
Basiselektrode B angeschlossen, während der Ausgangskreis zwischen die Emitterelektrode
E und die Kollektorelektrode C des Transistors geschaltet ist. Im Ausgangskreis
ist eine Spannungsquelle U, angeordnet. Bei der Pendelschwingung induziert der Nordpol
N in der Steuerspule (St. Sp.) eine Steuerspannung, die durch den
Transistor verstärkt wird und einen Stromfluß durch die Arbeitsspule (A.
Sp.) erzeugt, welcher auf den Südpol S des Stabmagneten zurückwirkt und dadurch
einen Antriebsimpuls auf den Magneten ausübt. Der Kollektorstrom ist mit ic bezeichnet.
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Durch Messungen wurde festgestellt, daß sich eine Temperaturabhängigkeit
des Ganges der Pendeluhr aus folgenden Gründen ergibt: Wie F i g. 2 zeigt, ergibt
sich ein Temperatureinfluß auf die Abhängigkeit zwischen Kollektorstrom ic und Steuerspannung
Ub. Die in F i g. 2 wiedergegebenen Stromspannungscharakteristiken entsprechen den
Temperaturen O' C und +40'C.
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Die in der Steuerspule (St. Sp.) sich ergebende Steuerspannung
Ub ist in F i g. 3a als Funktion der Zeit t dargestellt; dabei ist mit
die Dauer einer Halbschwingung des Pendels bezeichnet. Die in F i g. 3a dargestellte
Steuerspannung ergibt sich durch die Summe der Induktionsspannungen in den n-Windungen
der Steuerspule; die Steuerspannung Ub ist dabei durch die Summe der Induktionsspannungen
in den n-Windungen der Steuerspule gegeben; sie hängt dementsprechend vom magnetischen
Kraftfluß
längs der Magnetlänge ab und damit von der geometrischen Lage der Steuerspule
(St. Sp.). Die Steuerspannung ist dabei gegeben durch die Beziehung
In der vorgenannten Formel bedeutet die Geschwindigkeit des Magneten. Die Summierung
ist über sämtliche n-Windungen der Steuerspule durchzuführen.
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In F i g. 3b ist der Antriebsstrom aufgetragen, und zwar gibt F i
g. 3b Verhältnisse wieder, bei der die Steuerspannung symmetrisch zur Nullage des
Pendels liegt. Dementsprechend ergibt sich ein symmetrischer Verlauf des Arbeitsstromes
ic. Es ist indessen der ir F i g. 2 dargestellten Charakteristik entsprechend die
Impulsbreite bei 40°C größer als bei 0° C. In F i g. 3a sind die Impulszeiten bei
den beiden Temperaturen mit ti bezeichnet.
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Verschiebt man nun die Steuerspule (St. Sp.), so wird der zeitliche
Verlauf der Steuerspannung unsymmetrisch, wie das F i g. 4a wiedergibt. Man erhält
dann einen zeitlichen Verlauf des Arbeitsstromes ic, wie er in F i g. 4b für eine
Temperatur von 0°C und 40°C dargestellt ist; dabei ist zugrunde gelegt, daß die
Arbeitsspule (A. Sp.) ebenfalls unsymmetrisch zu den Schwingungen des Magnetpols
S liegt. Infolge der Unsymmetrie fallen die Schwerpunkte der in F i g. 4b dargestellten
Impulsflächen, die mit So bzw. S4o bezeichnet sind, nicht zusammen.
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F i g. 5 zeigt die Verteilung des Kraftlinienflusses längs des Magneten.
Dabei bedeutet -
den Kraftfluß durch die Spule pro Längeneinheit des Magneten in Abhängigkeit von
der Lage desselben. Die Kraftwirkung auf den Magneten ist proportional zu diesem
Kraftfluß und dem Stromimpuls. Berücksichtigt man, daß der Stromimpuls bei tiefer
Temperatur sehr schmal ist, wie aus F i g. 4b hervorging, während bei hoher Temperatur
der Stromimpuls breit ist, so erkennt man, daß der Schwerpunkt des mechanischen
Impulses bei tiefer Temperatur und bei hoher Temperatur nur in der Nähe des Maximalpunktes
von
liegt, nicht aber mit dem Maximum selbst zusammenfällt; diese Erscheinung ist in
F i g. 5 durch die schraffierten Flächen angedeutet. Je nach dem Zeitpunkt, in welchem
der Impuls ausgelöst wird, liegt dementsprechend der Schwerpunkt auf der einen oder
anderen Seite des Maximums.
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Es ist bekannt, daß der Impulseinsatz direkt den Gang einer Uhr beeinflußt.
Bekanntlich ist die prozentualeÄnderung
der Schwingungsdauer des Gang-Ordners gegeben durch
Hierbei ist AA die Energiezufuhr des mechanischen Impulses und oci die Amplitude,
bei der der Impuls ausgelöst wird, während ao die maximale Amplitude des Gangordners
ist. Distdasrücktreibende Direktionsmoment des Gangordners.
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Es ist weiterhin bekannt, daß der Gang einer Uhr, und zwar besonders
einer Pendeluhr, von der Amplitude des Gangordners abhängt. Letztere ist aber im
stationären Zustand von der Energiezufuhr AA und von den Energieverlusten
des Gangordners abhängig.
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Aus den vorangegangenen Erörterungen ergibt sich, daß der Gang einer
Uhr, deren Gangordner von einer Transistoranordnung gesteuert wird, in folgender
Weise von der Temperatur abhängt: 1. Die Energiezufuhr AA ist temperaturabhängig.
2. Die Stellung der Steuerspule beeinflußt die Lage . des Antriebsimpulses und damit
den mit ai bezeichneten Winkel, bei welchem der Antriebsimpuls erfolgt.
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3. Die Stellung der Antriebsspule in bezug zum Magnetfeld beeinflußt
die Größe des mit ai bezeichneten Impulswinkels.
Die Temperaturabhängigkeit
kann einerseits mit mechanischen Mitteln kompensiert werden, was im vorliegenden
Fall nicht von Interesse ist. Andererseits lassen sich die Energiezufuhr und daher
die Amplitude und der Gang des Gangordners in bekannter Weise durch Dämpfungswiderstände
beeinflussen, die parallel zur Arbeitsspule oder zur Steuerspule liegen und die
gegebenenfalls selbst temperaturabhängig sind; auf diese Weise läßt sich innerhalb
gewisser Grenzen ebenfalls ein Ausgleich der Temperaturabhängigkeit des Ganges erreichen.
Die vorgenannten Methoden ergeben jedoch unerwünschte Energieverluste und erfordern
einen zeitraubenden Abgleich. Es ist weiter bekannt, die Dämpfung und die Kurvenform
der Steuerspannung durch Gleichrichterelemente zu beeinflussen, die parallel zur
Steuerspule angeordnet werden und sich so auswirken, daß die Energiezufuhr und der
Schwerpunkt des Stromimpulses mit der Temperatur sich ändert. Auch diese Temperaturkompensierung
erfordert einen langwierigen Abgleich, da die Kompensierung in jedem Fall von dem
temperaturabhängigen Charakter des kompensierenden Organs abhängig ist.
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Aus den vorstehenden Betrachtungen ist ferner erklärlich, daß eine
Temperaturkompensation man auch dadurch erreichen kann, daß die Steuerspule und
die Arbeitsspule je für sich entsprechend verschoben werden. Eine solche Verschiebung
ergibt eine starke Beeinflussung der Temperaturabhängigkeit des Ganges. Dabei ist
eine solche Anordnung auch dann denkbar, wenn die Steuerspule und die Arbeitsspule
auf denselben Pol des Magneten wirken. Die Steuerspule und die Arbeitsspule auf
einen Pol des Magneten « irken zu lassen, bietet insofern gewisse allgemeine Vorteile,
als es herstellungsmäßig Schwierigkeiten macht, eine gleichmäßige Lage der Magnetpole
auf den Magneten zu erzielen. Es ist jedoch festzustellen, daß die Methode, einen
Temperaturausgleich dadurch zu erzielen, daß die Steuerspule und die Arbeitsspule
gegeneinander verschoben werden, ebenfalls eine langwierige Abgleicharbeit darstellt.
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Gemäß der Erfindung werden die Steuerspule und die Arbeitsspule dicht
benachbart zueinander angeordnet und gemeinsam verschiebbar gegenüber der Nullage
des Magnetpols angeordnet, so daß die Kompensierung der Temperaturabhängigkeit des
Ganges des Gangordners durch gemeinsame Verschiebung der beiden Spulen erfolgen
kann. In F i g. 6 ist das Meßergebnis einer derartigen erfindungsgemäßen Anordnung
dargestellt. Die Spulen besaßen die in F i g. 6a wiedergegebene Ausgestaltung. Bei
verschiedener Spulenanordnung ergab sich die in F i g. 6b wiedergegebene Gangregelung.
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F i g. 7a und 7b zeigen ähnliche Verhältnisse für eine Spulenanordnung,
bei der die Arbeitsspule und die Steuerspule übereinander angeordnet sind.
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Sind die beiden Spulen eng nebeneinander, koaxial oder auch übereinander
angeordnet, so ergibt sich dadurch eine enge Kopplung der beiden Spulen miteinander,
die unter Umständen zu Rückkopplungsschwingungen führen kann, welche nicht durch
die Bewegung des Gangordners bedingt sind. Solche unerwünschten Rückkopplungsschwingungen
würden zu Stromverlusten und unerwünschten störenden Impulsen führen, welche den
Gang verschlechtern. Um das Auftreten solcher Rückkopplungsschwingungen zu verhindern,
können in an sich bekannter Weise Dämpfungswiderstände parallel zur Steuerspule
oder zur Arbeitsspule vorgesehen werden; solche Widerstände bedingen jedoch an sich
unerwünschte zusätzliche Verluste. Das Auftreten solcher unerwünschten Schwingungen
kann jedoch auch beispielsweise dadurch unterdrückt werden, daß zwischen dem Arbeitskreis
und dem Steuerkreis des Transistors ein neutralisierender Kondensator, der in F
i g. 1 mit C. bezeichnet ist, angeordnet wird.
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Ein weiterer Weg zum Vermeiden derartiger Schwingungen besteht in
der Anordnung von Entkopplungsmitteln zwischen den beiden Spulen, beispielsweise
in der Anwendung einer Entkopplungsspule, die die Form einer Zwischenscheibenwicklung
oder einer Zwischenzylinderwicklung besitzen kann, welche zwischen der Steuerspule
und der Arbeitsspule angeordnet ist.